姜黄色素的提取工艺及色素稳定性分析

朱尽顺+方丽丹+何方

摘要：本文设计一个三因素三水平的正交试验，以同一波长下的吸光度为标准，确定姜黄色素的最佳提取工艺为：温度60℃、姜黄浓度80g/L、pH值6。试验发现pH值对姜黄色素的稳定性影响较大;金属离子Fe3+、Ca2+、Fe2+、Cu2+四种离子加入后，萃取液的颜色发生了改变，因此在姜黄色素的加工、使用及储藏过程中应避免与铁、铜、钙制容器接触。

关键词：姜黄色素;提取工艺;染色性能

1    姜黄色素概况及研究意义

1.1  姜黄及其资源概况

姜科姜黄属植物有60 余种，分布较广，盛产于东南亚和澳大利亚北部，喜马拉雅海拔4000 米的高山亦有分布。我国有16 种，主要产于四川、广东、广西、云南、福建、贵州、湖南、台湾等地[1]，其中温郁金、姜黄、莪术、椎莪术和川郁金5种根茎作为中药材莪术、郁金或姜黄应用于临床。入药部位郁金多为块根，莪术主要为主根茎，而姜黄主要为侧根茎和块根。均具有破瘀、行气、消积和止痛的功效;还有抗癌、抗早孕、抗凝血、抗氧化和保肝等活性[2]。

1.2  姜黄色素的理化性质

姜黄是一种天然染料，其主要成分是姜黄素。同时还有纤维质、淀粉、胶质、矿物质以及具有强烈嗅味的芳香油及棕色素，姜黄素是一种得自姜黄根茎中的色素[3]，其结构式见图1。

图1    姜黄素结构图

姜黄的不同部位姜黄色素含量不同，以姜黄的根茎最高（>2%），根须较低（0.488%），块根最低（仅0.023%）。姜黄素结晶呈橙黄色粉末状，有特殊的芳香气味，熔点179℃～182℃，易溶于冰醋酸、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、丙二醇和碱性溶液[4]。在酸性和中性溶液中显黄色，在pH值约大于8.0的碱性溶液中显红色。研究表明：姜黄色素对人畜几乎无毒[5]，其着色力比所有合成色素、其他天然色素都强。它的着色是柠檬黄、日落黄的3～4倍。

1.3  姜黄色素的药理作用

医学研究人员发现，从姜黄中提取的姜黄色素具有极强的抗氧化性能，在人体内能有效地消除对人体有害的自由基，从而表现出阻止衰老和延年益寿等功能[6]。姜黄色素是一种天然、高效、低毒的抗氧化剂，具有提供人体基本的营养成分和满足人们的各种感官要求的功能[7]。作为典型的链断型脂溶性抗氧化剂，姜黄色素的研究已经引起国内外的普遍重视。

1.4  研究的目的、意义和主要内容

1.4.1  研究的目的、意义

我国姜黄资源非常丰富，是世界上姜黄的生产和出口大国。目前，我国姜黄主要用作调味品染料，功能单一，资源利用度低，与我国姜黄生产、出口的大国地位极不相称，在姜黄的深加工、产品开发、综合利用方面与国外相比有较大差距。由于现有的生产工艺落后，加工粗放，质量不符合国际市场准入的标准，只能以低端的初级产品以低价销售给国际市场[8]。深入开展姜黄活性成分的研究，开发在国内外市场上具有很强竞争力的有高附加值的姜黄色素，可以促进姜黄产业由资源优势向技术和经济转化，增强企业和产品在国际市场上的竞争力，可以提高姜黄原料产地广大农民的收入，大力促进姜黄原料产地经济的可持续发展[9]。

1.4.2  研究的主要内容

① 设计一个三因素三水平的正交试验，以同一波长下的吸光度为标准，确定姜黄色素的最佳提取工艺;

② 通过使用UV-2550型紫外可见光分光光度计分析温度、pH值、金属离子对姜黄色素稳定性的影响。

2    姜黄色素的提取

2.1  试验仪器与器材

试验主要仪器见表1。

表1    试验仪器

试验主要材料见表2。

表2    试验材料

2.2  姜黄色素的提取

采用水煮提取法，称取一定重量的姜黄粉末放入蒸馏水中，制成姜黄溶液，在一定的温度和pH值条件下水煮，纱布过滤后，按1：5的比例稀释染液，用移液管吸取该染液1mL至离心管中，并注入3mL蒸馏水。用紫外可见分光光度计测定该溶液在此条件下的吸光度，得出其吸收光谱曲线，找出其所对应的最大吸收波长257nm。在此条件下，测定其光密度。

2.2.1  正交试验

用三水平三因素正交试验进行姜黄色素萃取条件试验，试验结果如表3所示。姜黄浓度是指每升蒸馏水中姜黄的重量。

2.2.2  试验结果与讨论

从表3分析可知，各因素对姜黄色素提取率效果影响主次顺序为：姜黄浓度>pH值>提取温度。因此，在影响姜黄色素提取的3因素中，姜黄浓度是最主要的影响因素。姜黄色素提取的最佳工艺组合为A1B3C3，即提取温度60℃，姜黄浓度80g/L，pH=6。与正交试验中的试验3相对应，该组萃取液吸光度为0.679，是最高值，表明正交试验结果较为合理。

3    姜黄色素稳定性分析

3.1  主要材料与仪器设备

材料：氯化钙，氯化铝，硫酸铜，硫酸亚铁，硫酸钠，硫酸钾，亚硫酸钠，三氯化铁，盐酸，氢氧化钠等均为分析纯。

仪器设备：UV-2550 紫外可见分光光度计[SHIIMADZU（日本岛津）];数显恒温水浴锅;pH试纸。

3.2  试验方法

姜黄色素提取液是经2.2.1 优化条件萃取，经纱布过滤后稀释5 倍的染液。采用紫外可见分光光度仪在200mm～800nm 范围内扫描。

3.2.1   pH值对姜黄色素稳定性的影响

吸取10mL姜黄色素于5 个试管中，用粗配的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节色素溶液的pH值至2、4、6、7、8、10，平衡一个小时，观察颜色变化并测定最大吸收波长下溶液吸光度。

3.2.2  温度对姜黄色素稳定性的影响

分别将色素稀释液置于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的温度下加热1h，并在最大吸收波长下测定其吸光度。

3.2.3  光照对姜黄色素稳定性的影响

分别吸取80mL 的色素稀释液置于两个100mL的容量瓶中定容，然后分别放在光照和避光条件下，在0h、24h、48h、72h、96h 和120h 取样，在最大吸收波长下分别测其吸光度。

3.2.4  金属离子对姜黄色素稳定性分析的影响

分别配制Al3+、K+、Na+、Fe3+、Ca2+、Fe2+、Cu2+的硫酸盐或盐酸盐溶液，吸取9mL色素，加1mL金属离子，振荡30s，观察颜色变化。

3.3  姜黄色素稳定性的研究结果

3.3.1  pH值对姜黄色素稳定性影响

由图2可知，pH值对姜黄色素的稳定性影响较大，pH值为2时呈亮黄色，pH值为4、6时呈黄色，pH值为7时呈茶红色，pH值为8时呈橙红色，pH值为l0时呈红棕色。放置24h后颜色变浅。

图2    pH值对姜黄色素稳定性分析

3.3.2  温度对姜黄色素稳定性的影响

由图3可知，温度对姜黄色素稳定性影响不大，因此，在食品加工中，适合高温加工。

图3    温度对姜黄色素稳定性分析

3.3.3  光照对姜黄色素稳定性的影响

采取避光和光照两种方法进行对照试验，由图4可知，在避光条件下，吸光度基本不变;在光照条件下，随着放置时间的延长，吸光度呈明显的下降趋势;说明光照对姜黄色素的稳定性有较大的影响，在保存时应避光。

图4    光照对姜黄色素稳定性影响

3.3.4  金属离子对姜黄色素稳定性分析的影响

分别测定了Al3+、K+、Na+、Fe3+、Ca2+、Fe2+、Cu2+的硫酸盐或盐酸盐溶液对姜黄色素的稳定性的影响，含有Fe3+的色素溶液变为棕红色，含有Ca2+的色素溶液由黄绿色变为浅黄色，含有Cu2+的色素溶液由黄绿色变为浅绿色，含有Fe2+的色素溶液颜色加深，而Al3+、K+、Na+色素几乎无影响，所以在使用及加工过程中应避免与铁、铜、含钙容器接触。

4    结论

通过对姜黄色素的提取，稳定性分析，得出以下结论：

（1）天然染料姜黄色素的最佳提取工艺为：温度60℃、姜黄浓度80g/L、pH值6。

（2）姜黄色素有很好的热稳定性，光对姜黄色素的稳定性有一定的影响，保存时应尽量低温、避光;pH对姜黄色素的稳定性影响较大;金属离子Fe3+、Ca2+、Fe2+、Cu2+四种离子加入后，萃取液的颜色发生了改变，在姜黄色素的加工、使用及储藏过程中应避免与铁、铜、钙制容器接触。

参考文献：

[1] 肖小河，苏中武，乔传卓，等.姜黄属药用植物研究进展[J].中草药，1997，28（2）：114-119.

[2] WINAWER S J， ZAUBER A G， GERDES H， eta1. Risk Of colorectal cancer in the familiesof patients with adenomatous polyps [J].National Polyp Study Workgroup， 1996， 334：82-87.

[3] 安鸿志，李杰，周丽莉.中药姜黄的抗肿瘤作用[J].中国医院药学杂志，2004，24（8）：493-495.

[4] 鲍小龙，刘月蕊.中国民间传统手工印染的传承与发展[J].丝绸，2007，（10）：50-52.

[5] 赵伯涛，钱骅.燃料植物资源的开发利用[J].中国野生植物资源，2007，（5）：26.

[6] 张义安，赵其明.植物染料的研究现状[J].染料与染色，2008，（6）：45.

[7] 韩婷.姜黄的化学成分及药理活性研究进展[J].解放军药学学报，2001，11（2）：95-97.

[8] 沃兴德，洪行球，高承贤，等.姜黄长期毒性试验[J].浙江中医学院学报，2000，24（1）：61-66.

[9] 唐传核，彭志英.姜黄素类物质的生理功能及其抗氧化机理[J].中国食品添加剂，2000，（4）：40-44.

（作者单位：湖北省黄冈市纤维检验局）